Un par de apuntes sobre la confirmación del modelo inflacionario del Big Bang

El pasado lunes 18 el equipo del experimento BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) anunció la detección de modos B en la radiación cósmica de fondo. Se trata de la noticia cosmológica más importante de los últimos años desde que se descubrió la energía oscura porque confirma la hipótesis de la creación del Universo mediante un modelo de inflación.

Experimento BICEP2 en la Antártida (BICEP2).

Simplificar conceptos cosmológicos y de física teórica no resulta nada sencillo, pero vamos a intentarlo aún a sabiendas de que más de un físico teórico se va a echar las manos a la cabeza, porque el asunto lo vale. Empecemos: lo que ha descubierto BICEP2 son evidencias de la acción de ondas gravitatorias durante los primeros instantes de vida del Universo tras el Big Bang. Genial, ¿no? Bueno, no tan rápido. Esto en sí mismo no es nada revolucionario. A estas alturas nadie duda de la existencia del Big Bang o de las ondas gravitatorias (que ya fueron descubiertas de forma indirecta hace décadas observando estrellas de neutrones dobles). Lo verdaderamente importante es que estas ondas gravitatorias se tuvieron que formar durante la inflación, un mecanismo teórico introducido por Alan Guth y Andréi Linde en los años 80 para explicar varias características de nuestro Universo observable. Según este modelo, la inflación tuvo lugar unos 10^-35 segundos tras el Big Bang y durante la misma el Universo se expandió brutalmente durante una fracción de segundo a una velocidad mayor que la de la luz -no hay nada extraño en esto-, para a continuación seguir expandiéndose de forma mucho más sosegada.

El Big Bang es la única teoría que explica a la vez la expansión del Universo, la existencia del fondo cósmico de microondas y la proporción de elementos primordiales. En los años 80 esta teoría ya había sido aceptada por la comunidad científica, pero presentaba ciertos problemas y ahí es donde entró en juego la inflación. Esta modificación de la teoría del Big Bang permite explicar por qué el Universo es isótropo y homogéneo a grandes escalas. Si la inflación no hubiera tenido lugar, las regiones de Universo más alejadas entre sí podrían ser muy diferentes y, además, el fondo cósmico de microondas -la principal prueba de la existencia del Big Bang- no sería tan homogéneo. De rebote, la inflación sirvió también para entender por qué el Universo es casi ‘plano’, es decir, por qué carece de una curvatura apreciable (no se expande demasiado rápido ni se contrae). Pero hay más. La existencia de la inflación implica que nuestro Universo observable es una pequeñísima parte de un Universo preinflacionario mucho más grande. En este punto muchos medios han aprovechado la noticia para liarse la manta a la cabeza y han empezado a hablar de multiversos, lo que en mi opinión sólo sirve para confundir a la gente. Así que mejor dejemos los multiversos a un lado por el momento.

La inflación resolvía por tanto los principales problemas del Big Bang. Ahora bien, como toda hipótesis científica, debía ser demostrada. ¿Cómo? El modelo inflacionario predice la creación de intensas ondas gravitatorias durante el proceso de expansión acelerada. Si tenemos en cuenta que las ondas gravitatorias se caracterizan por estirar y comprimir la materia que atraviesan -bueno, vale, en realidad es el espaciotiempo lo que se estira-, éstas deberían haber dejado su huella en la distribución primordial de materia. En principio detectar estas huellas 13800 millones de años después parece una tarea imposible, pero por suerte tenemos el fondo cósmico de microondas. Esta radiación que nos rodea por todas partes se creó cuando el Universo tenía 380000 años al formarse los primeros átomos. Al enfriarse el Universo los electrones comenzaron a girar alrededor de los núcleos atómicos y la radiación quedó desacoplada. O sea, el Universo se hizo transparente. El fondo cósmico de microondas lleva impresas las preciadas huellas de la distribución de materia original, incluyendo las supuestas pruebas de la inflación.

Diferencias de temperatura (anisotropías) en el fondo cósmico de microondas vistas por el satélite Planck (ESA).

¿Y cómo son estas huellas? Pues se llaman ‘modos B’ y para detectarlas hace falta observar la polarización de la radiación del fondo cósmico. Hasta el momento los observatorios terrestres y espaciales (COBE, Wilkinson y Planck) nos han revelado las anisotropías -minúsculas diferencias de temperatura- de la radiación cósmica, gracias a las cuales podemos calcular la cantidad de materia ‘normal’, materia oscura y energía oscura que existe en el Universo. En principio no podemos ver la contribución de las ondas gravitatorias -llamada componente tensorial- simplemente midiendo las diferencias de temperatura en el fondo cósmico, que son una componente escalar originada por una variación de densidad primordial en la materia. Afortunadamente para nosotros las ondas gravitatorias deben haber polarizado ligeramente la radiación de fondo, algo que sí podemos medir. Eso sí, la polarización se divide en dos tipos, los llamados ‘modos E’ -que son modos escalares y fueron detectados por primera vez en 2002 por el experimento DASI- y los famosos ‘modos B’, que sólo se pueden generar por ondas gravitatorias y son por tanto modos tensoriales (en realidad las ondas gravitatorias también generan modos E, pero mejor no entremos en detalles). Para complicar las cosas aún más, la gravedad de los cúmulos de galaxias también distorsiona y polariza la luz del fondo cósmico creando modos B ‘de mentira’ (más correctamente, modos B creados por efecto de lente gravitatoria). De hecho, estos modos B ‘falsos’ ya fueron detectados recientemente por los experimentos South Pole Telescope y PolarBEAR.

Por lo tanto, la clave no es la detección de cualquier modo B, sino que debemos ser capaces de diferenciar los modos B primordiales causados por la inflación. Pero detectar estos modos B no es nada sencillo. El satélite europeo Planck nos ha proporcionado el mapa más detallado del fondo cósmico de microondas y, sin embargo, hasta la fecha la búsqueda de los dichosos modos B en los datos de Planck ha sido infructuosa. Algo lógico por otra parte si tenemos en cuenta que los modos B son unas cien veces más débiles que los modos E. Y aquí es donde entra nuestro protagonista, el experimento BICEP2. Situado en la Antártida para evitar las interferencias astronómicas de los objetos del plano galáctico, BICEP2 -al igual que otros instrumentos situados en Tierra-, compensa la falta de cobertura global de las misiones espaciales como Planck con una sensibilidad enorme derivada de una antena de tamaño gigantesco (comparada con la de un satélite, se entiende). Todo el mundo esperaba que Planck detectase los modos B antes que otros instrumentos terrestres, pero BICEP2 le ha ganado la partida. En cualquier caso, es importante señalar que los resultados de BICEP2 deberán ser acotados y confirmados por los datos de Planck, que son la referencia en este asunto. A finales de este año se publicarán los resultados de Planck para la polarización del fondo cósmico y entonces veremos cómo de significativo es el descubrimiento de BICEP2.

Así que ya ven, el descubrimiento de modos B en el fondo cósmico de microondas significa que podemos dar por buena la teoría de la inflación. Una gran noticia, sin duda, pero esto no es todo. Además de asegurar el premio Nobel para Guth y, probablemente, Linde, este anuncio nos permite ir más allá. ¿Cómo? Pues estudiando la proporción entre las componentes escalar y tensorial de la polarización. De acuerdo con la mayor parte de modelos inflacionarios -sí, hay varios- la componente tensorial debería ser bastante baja. De hecho, los datos de Planck apuntan a una proporción inferior a 0,11 y no descartan que sea nula, aunque la mayoría de modelos teóricos rondan valores del orden de 0,01. Un valor tan bajo favorece modelos simples como por ejemplo el de la ‘inflación de Higgs’, un modelo en el que la inflación es una consecuencia directa de la evolución del campo de Higgs.

Determinación del parámetro r según BICEP2 (BICEP2).

No obstante, los resultados de BICEP2 señalan una proporción que alcanza un valor de 0,2. Es un resultado consistente con los datos de Planck, pero sin duda es mucho más elevado de lo esperado y ha dejado descolocado a más de un físico teórico. El análisis de esta proporción -denominada simplemente ‘r’- abre una nueva puerta en la cosmología llena de fascinantes posibilidades al darnos acceso directo a los primeros momentos de vida del Universo tras el Big Bang. En concreto, ahora podemos estimar directamente un parámetro clave que hace tan sólo unas décadas parecía fuera del alcance de la ciencia: nada más y nada menos que la densidad de energía del Universo primigenio. Tiempos cosmológicamente interesantes se avecinan.